DE2533217C3

DE2533217C3 - Verfahren und Einrichtung zur Ortung eines Risses auf mindestens einer Faser eines optischen Kabels

Info

Publication number: DE2533217C3
Application number: DE2533217A
Authority: DE
Inventors: Remy Lannion Bouillie
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1979-02-01
Also published as: FR2280072A1; JPS5119547A; FR2280072B1; NL182102B; DE2533217A1; GB1517573A; DE2533217B2; NL7508121A; NL182102C; US4012149A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

ω Es ist bekannt daß die Entwicklung dielektrischer Elemente mit sehr niedriger Dämpfung im Bereich optischer Wellenlängen die Verwendung dieser Elemente in Systemen zur Lichtübertragung über mehr oder weniger große Entfernungen ermöglicht hat In solchen Systemen erfordern die Anwendungsbedingunfen dieser dielektrischen Elemente einen Schutz oder Mantel wie bei Kabeln.

Ein oder mehrere dielektrische Elemente oder optische Fasern, die dieses Kabel bilden, können bei einer schädigenden Behandlung oder durch irgendeinen anderen Grund brechen, ohne daß es dem äußerlichen Ansehen des Kabels nach möglich ist die Bruchstelle zu entdecken.

Es besteht daher das Bedürfnis, den Ort einer Bruchstelle in einer optischen Faser durch eine Messung aufzufinden, ohne das Kabel demontieren zu müssen.

Das zu messende Kabel kann aus einer einzigen optischen Faser beziehen, d. h. aus einem Element bestehend aus einem oder mehreren Dielektrika, wie Glas, Silizium, Flüssigkeit Kunststoff usw, auf jeden Fall aus einem Werkstoff, der eine Lichtübertragung ermöglicht Diese optische Faser kann zu einem Leiter gehören, welcher aus einer oder mehreren Fasern besteht, die dasselbe Signal parallel übertragen, insbesondere zu einem aus einem oder mehreren Leitern bestehenden Kabelstück, oder zu einem aus einem oder mehreren Kabelstücken bestehenden kompletten Kabel.

Bei einem aus der DE-OS 23 18 424 bekannten Verfahren zur Bestimmung des Fek'erortes auf einem fehlerhaften elektrischen Kabel werden elektrische Impulse an einem Kabelende eingespeist und an der Fehlerstelle zu diesem Ende reflektiert; die Laufzeit wird gemessen und daraus mit der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit die Kabellänge bis zum Fehlerort berechnet.

Die für diese Messung verwendete Impulsfolge hat eine feste Folgefrequenz. Zur Bestimmung der Laufzeit wird in einer Vorrichtung ein Impuls aus der vom Generator gelieferten Folge mit dem nach einer gewissen Laufzeit reflektierten Impuls zur Koinzidenz gebracht; dazu werden Impulszähler benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich der Vergleich zwischen eingespeisten und reflektierten Impulsen ohne Impulszähler und digitale Koinzidenzgeräte ausführen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 angegebenen

bo Maßnahmen gelöst.

Die Laufzeit wird also unmittelbar aus einer in ihrer Frequenz regelbaren Impulsfolge bestimmt Und kann unmittelbar an dem Betrachtungsgerät abgelesen werden; Impulsgeneratoren mit einstellbarer Folgefre-

b-, quenz sind Stand der Technik und im Vergleich zu Impulszählern und digitalen Koinzidenzgeräten preiswert und ohne Vorkenntnisse zu handhaben und zu warten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem bei der Erfindung angewendeten Koinzidenzverfahren ist es möglich, die Laufzeit (t\ — to) eines Lichtimpulses hin und zurück über die Länge L zwischen einem erreichbaren Kabelende und dem Riß mit großer Genauigkeit zu messen. Der Fehler bezüglich der gesuchten Länge L, die sich aus der Laufzeitmessung nach der Formel

L=C(U- to)/2 cn

ergibt, hängt nur von der Genauigkeit des Brechungsindexes η des Fasermediums (gemessen oder gegeben) ab.

Der Erfindung wird im folgenden anhand einer Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen in schematischen Darstellungen

Fig. 1A und IB jeweils eine ungebrochene optische Faserund eine gebrochene optische Faser,

Fig.2A, 2B, 2C drei Arten der Meßeinrichtung im Blockschaltbild,

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer besonderen Ausführung der Meßeinrichtung,

F i g. 4 Zeitdiagramme zur Darstellung der Meßmethode.

In ein heiles optisches Kabel (F i g. 1 A) wird am Ende

1 einer Faser ein Lichtimpuls eingestrahlt und zum Ende

2 übertragen.

Auf derselben, jedoch gebrochenen optischen Faser (Fig. IB) entsteht an der Bruchstelle ein Sprung jo zwischen dem Medium mit dem Brechungsindex π (der optischen Faser und dem äußeren Medium (meistens Lufi). Ein bestimmter Teil des am Ende 1 der Faser eingestrahlten Lichtimpulses wird daher reflektiert und zum Ende 1 zurückgestrahlt Wenn also ein Lichtimpuls am Ende 1 der Faser beim Zeitpunkt fo ankommt, wird an demselben Ende ein Rückimpuls beim Zeitpunkt ii erhalten derart, daß

ίι-ίο = 2 η L/c,

wobei Lde. Abstand zwischen der Bruchstelle und dem Ende 1 und cdie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.

Daraus folgt: L = c(t\ - fo)/2 η für den Ort der Bruchstelle.

Um die Laufzeit (t\ - to) zu messen, wird eine der drei -r> im folgenden beschriebenen Einrichtungen benutzt. Ihnen gemeinsam sind eine Lichtimpulsquelle 101, ein optisches Element 103, eine optischer Verteilervorrichtung, ein Halter 107, zwe· Detektoren 111, 112 und ein Betrachtungsgerät 113. ">o

Die Lichtimpulsquelle 101 emittiert Lichtimpulse 5 von einer Dauer die viel kleiner ist als der zu messende Wert (t\ — to). Die Wiederliolungsfrequenz dieser Impulse kann beliebig gewählt werden. Die Quelle 101 ist nach Belieben entweder ein Gas- oder Festkörperlaser oder eine Elektrolumineszenz-Diode oder eine Elektrolumineszenz-Diode mit Laserwirkung (Laserdiode). Es ist natürlich ratsjir., die Wellenlänge der Quelle in einem Bereich zu wählen, in dem das zu messende Kabel ein Dämpfungsminimum besitzt. w)

Das optische Element 103 ermöglicht die Fokussierung des Lichtes am Eingang des zu messenden Kabels C. Es kann nach Belieben eine einfache Linse, ein Linsensystem wie ein Mikroskopobjektiv, eine Linse mit einem Brechungsgradienten oder ein anderes System t>-> sein, mit dem man die Lichtimpulse in das Kabel einstrahlen kann.

Der Halter 107 gemattet die Befestigung des zu messenden Kabels C im Brennpunkt des optischen Elementes 103. Dieser Halter ist so gebaut, daß er sich leicht an jede öffnung optischer Kabel anpassen läßt.

Die beiden Detektoren 111,112 (die auch ein einziges Bauteil bilden können) verwandeln die ankommenden Lichtsignale S,, S₂ in elektrische Signale S₁' bzw. 52'. Diese Detektoren können jeder eine Diode, ein Fotomultiplier oder irgendein anderes Detektorelement sein. Die beiden Detektoren sind nicht unbedingt gleichartig, aber natürlich mit der Bedingung, daß sie gleichartige Zeitcharakteristiken (beispielsweise Übergangs- und Anstiegszeit) besitzen, um die Genauigkeit der Messung nicht zu stören.

Das Betrachtungsgerät 113 gestattet für die Messung die Beobachtung der Signale S2', SV auf ein und demselben Bildschirm.

Die Bauteile 103, 105, 107 und 111 können einen einzigen versiegelten und mechanisch standfesten Block bilden.

Bei einer ersten Einrichtung (F i g. 2A) ist die optische Verteilervorrichtung 105 zwische dem optischen Element 103 und dem Halter !07 angeordnet, dessen Achse auf den Strahlengang der Lichtimpulse 5 ausgerichtet ist Die optische Verteilervorrichtung 105 ermöglicht die Teilung des von dem Element 103 ausgehenden Lichtsignals S in zwei Signale Si, S2, die nachzuweisen sind, und zwar S] direkt S2 nach einem Hin- und Rücklauf durch das zu messende Kabel C. Teil 105 ist auf einigen Seiten zweckmäßig mit antireflektierenden Schichten belegt um NebeDreflexionen zu vermeiden.

Eine zweite Einrichtung (Fig.2B) unterscheidet sich von der vorigen dadurch, daß das zu messende Kabel C selbst als Verteilervorrichtung dient, indem es derart auf dem Halter 107 angeordnet ist, daß seine Achse einen Winkel λ mit der durch die Lichtimpulsquelle 10 und das Strahlungselement 103 bestimmten optischen Achse bildet. Infolgedessen erfahren die eingestrahlten Lichtimpulse an dem Ende 1 des zu messenden Kabe-s eine erste (Spiegel-)Reflexion mit der Folge eines ersten, unverzögerten reflektierten Signals, das mit dem einblenden Signal einen Winkel 2 λ einschließt und an der Bruchstelle des Kabels eine zweite Reflexion mit der Folge eines über einen zweiten Weg verzögerten zweiten reflektierten Signals, das einen Winkel χ mit dem einfallenden Signal einschließt. Die Detektoren 111, 112 befinden sich jeweils auf diesen beiden Reflexionswegen.

Eine dritte Einrichtung (F i g. 2C) unterscheidet sich von den beiden vorigen dadurch, daß sich an das optische Element 103 zwei optische Fasern 104i und 1042 kleinen Durchmessers anschließen, die zwei Wege für das aus dem optischen Element 103 austretende Lichtsignal bilden: In der ersten optischen Faser 104i wird ein erstes Signal Si ohne Verzögerung zu einem ersten Detektor (11 übertragen, und in der zweiten optischen Faser 1042, die der ersten gleich ist, wird ein zweites Signal Si zum Kabel C und von diesem wegen der Reflexion an der Bruchstelle mit Verzögerung zu einem zweiten De'.ektor übertragen. Auch hier befinden sich die Detektoren 111,112 auf diesen Strecken.

Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel gegeben (Fig. 3).

Es wird angenommen, daß die zu messenden Kabel ein Dämpfungsminimum zwischen 8000 und 9000 A Wellenlänge haben, infolgedessen wird als Lichtimpulsquelle eine in diesen Wellenlängenbereich emittierende Laserdiode gewählt.

Die ausgewählte Einrichtung ist diejenige der zweiten Art (F i g. 2B). Die Einrichtungsteile sind folgende:

Die Quelle der Lichtimpulse ist eine Laserdiode 101, die Lichtimp'ilse mit einer Dauer von 5 Nanosekunden bei einer Leistungsspitze von einigen hundert Milliwatt emittiert.

Vor der Laserdiode 101 befinden sich ein Generator 97 elektrischer Impulse von 0 bis 5 Volt mit in einem breiten Bereich (von einigen Hertz bis zu einigen hundert MHz) verstellbarer und einstellbarer Frequenz und ein Stromverstärker 99, welcher einen einstellbaren Strom von mehreren Ampere erzeugt, mit dem man jede Art von Laserdioden anregen kann.

Das optische Element 103 ist ein Mikroskopobjektiv mit einer Vergrößerung 1 :10.

Der Halter 107 gestattet die Einstellung des zu messenden Kabels derart, daß seine Achse mit der gemeinsamen optischen Achse der vorerwähnten Bauteile einen Winkel λ "on ca. 5° bildet.

ainu cfTi.1

Dioden und haben infolgedessen gleiche Übergangszeiten und Geschwindigkeiten. Sie sind beide mit 50 Ohm belastet. Vor diesen Detektoren befinden sich jeweils zwei Mikroskopobjektive HOt, HO₂, die die reflektierten Strahlen auf die Detektoren fokussieren. Das Betrachtungsgerät 113 ist ein Leuchtschirm.

Bei dem Meßverfahren (Fig.4) wird eine Lichtim pulsquelle mit verstellbarer und einstellbarer Impulsfol gefrequenz /"benutzt, und diese Frequenz wird derari eingestellt, daß auf dem Bildschirm der vom Detektoi 112 angezeigte, verzögerte impuls Nr. 1 mit dem vom Detektor 111 angezeigten und nicht verzögerten Impuls Nr. 2 zeitlich koinzidiert; der Kehrwert der Meßfrequenz gibt dann die gesuchte Verzögerung (t\ - to).

Es ist möglich, η zu eliminieren, wenn man ein Kabel mit demselben Brechungsindex wie das zu messende Kabel benutzt (Länge L). Eine eiste Messung mit einem dieses Kabel ganz durchlaufenden Signal ergibt:

n = c (W-t_n')l L'

Die zweite Messung wird an dem zu uniers.·· henden Kabel durchgeführt und ergibt:

man erhält sodann

- fo)/2 n;

Dabei liegt die absolute Genauigkeit -'■■> Größenordnung von eineni Meter.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ortung eines Risses auf mindestens einer Faser eines optischen Kabels mittels von einer Impulsquelle ausgesandten Impulsen einer gegebenen Impulsfolgefrequenz, die in ein zugängliches Kabelende eingespeist werden und deren Laufzeit hin und zurück über die Länge zwischen diesem Kabelende und dem Riß unter Benutzung eines vom Riß reflektierten verzögerten Impulses und eines von der Impulsquelle ausgesandten unverzögerten Impulses gemessen und daraus die Länge dieser Strecke ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse Lichtimpulse sind und daß die Impulsfolgefrequenz einstellbar ist und die Laufzeit mittels des Wertes derjenigen Impulsfolgefrequenz gemessen wird, die eine zeitliche Koinzidenz zwischen dem verzögerten Impuls und demjc-ygen unverzögerten Impuls, der dem verzögerten unmittelbar folgt, ergibt

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Generator elektrischer Impulse einer gegebenen Impulsfolgefrequenz und mit einem zu einer Meßsinrichtung gehörenden Betrachtungsgerät zur Sichtbarmachung der verzögerten und unverzögerten Impulse, dadurch gekennzeichnet, daß an den Impulsgenerator (97) eine Lichtimpulsquelle (101) angeschlossen ist und durch eine in dem Strahlengang der Lichtimpulse (S) angeordnete optische Verteilervorrichtung (104, 105,107) aus zwei optischen Wegen, von denen der erste Weg entweder von der L.chtimpulsquelle (101) durch Aufspaltung unmittelbar nach der Lichtimpulsquelle (101) zu einem Detektor (111) in Form eines fotoelektrischen Wandlers führt oder von der Lichtimpulsquelle (101) durch Spiegelreflexion am zugänglichen Kabelende zum Detektor (111) führt und von denen der zweite Weg von der Lichtimpulsquelle (101) durch Reflexion am Riß zu einem zweiten Detektor (112) in Form eines zweiten fotoelektrischen Wandlers führt, dessen Ausgangssignale zusammen mit denjenigen des ersten Detektors (111) dem Betrachtungsgerät (113) zügeführt werden, sowie dadurch, daß der Impulsgenerator (97) so ausgebildet ist, daß seine Impulsfolgefrequenz einstellbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilervorrichtung aus dem zu messenden Kabel (C) selbst besteht, dessen Achse gegenüber dem Strahlengang der Lichtimpulse (S) geneigt ist (F ig. 23).

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilervorrichtung aus optischen Fasern (1O4|, 104₂) kleinen Durchmessers besteht, von denen eine den ersten Weg bildet und zwei andere den zweiten Weg jeweils vor und nach dem Hin- und Rückweg des zweiten optischen Signals φ) durch das zu messende Kabel (C) bilden (Fig.2Q.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulsquelle (101) entweder eine Laser- oder eine Elektrolumineszenzdiode ist, daß zur Fokussierung der Lichtimpulse auf das zugängliche Kabelende ein Mikroskopobjektiv (103) oder eine Linse (103) mit einem Brechungsgradienten vorgesehen ist, daß die Detektoren (111, 112) Fotodioden sind und daß das Betrachtungsgerät (113) ein Oszjlloskop ist